单片集成的可变增益可见光接收机
摘要:为了实现可见光传输信号的接收,并尽可能减小接收机的体积,适应不同亮度下的传输,利用0.18μm CMOS工艺,自主设计光探测器、跨阻放大器、主放大器并集成于一片,形成单片集成的可变增益光接收机。经过软件模拟,激光入射测试以及实地的配合由可见光控制的智能家具系统的测试,证明该接收机拥有良好的接收效果并能适应可见光的低传输速率,且有较大的输入动态范围。
关键词:可见光;单片集成;可变增益;开关电路;RGC;反相器
近年来,随着社会信息化程度不断提高,信息交换量呈爆炸性增长,而人们也不再局限于对无线局域网传输速率的追求,开始在应用领域以及安全性问题上进行更广泛的探索研究。可见光通信就是近几年发展火热的通信方式之一。与目前使用的无线局域网相比,“可见光通信”系统具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线,信息就不会外泄至室外,同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信,对电磁信号敏感的医院、飞机等场所也可以自由使用该系统。在设计工艺方面,以往多采用砷化镓或者双极性硅工艺来实现,但它们有成本高、功耗大、集成度低的缺点。近几年来,高成品率、低成本的CMOS工艺已被广泛应用于光通信系统芯片的设计中。本文即采用0.18μm CMOS工艺实现了可见光接收机的单片集成。
1 电路设计
1.1 电路的整体设计
如图1所示,本次设计的光接收机由光探测器、开关电路、前置放大器、主放大器、滤波电容、反相器等部分构成。由于自然光的影响,探测器在数据0传输时也会有微弱的电流输出,所以设计时必须严格控制放大器的放大倍数于合理的范围,既要满足高电平的放大,也要避免低电平放大后达到开启电压。
1.2 光探测器
该设计的光探测器是利用N井屏蔽衬底载流子的双光电二极管DPD结构。CMOS工艺中用来实现源漏区的离子注入被用来形成DPD的阴阳极。制作方法为在N井内制作P+又指排列电极,并利用N+扩散引出N井电极,N井周围被P+保护环包围。P+叉指结构排列是为了增加耗尽区宽度且使耗尽区电场更加均匀,以利于更多的光生载流子做快速漂移运动。
根据实测,在一般室内照明下,由于探测器至光源距离不同,该探测器输出电流在1.5~3.5μA之间,而在关闭光源的情况下有约0.1 μA的输出。
1.3 开关电路
由于本次采用单片集成的设计,所以为了避免探测器长时间向放大电路输入电流,故在探测器与放大电路间加入开关电路。开关电路设计如图2所示,a、b端分别连接探测器和放大器,SEL接高电位时开关电路导通,反之截止。
由于开关电路导通时即相当于短路,不会引入附加的电容、电阻,带宽也远高于放大电路主体,故不会对电路产生影响。
1.4 前置放大器
要把电流信号转化成电压信号,一种有效的方案是采用跨阻型前置放大器,跨阻放大器具有增益稳定,频带宽,以及不需要均衡电路等优点。设计结构如图3所示。
为了隔离大寄生电容,提高带宽,本设计采用了图4所示的RGC结构作为输入级。RGC的输入电阻,其是共栅级的
倍。并且RGC电路能提供一个虚地输入阻抗,因此对电容的隔离效果更好。
跨阻放大器的跨阻则是连接在图3中的LINE1与LINE2之间,为了适应不同光强与不同距离时,探测器输出的不同,本次设计将跨阻设为1 kW,5 kW,10 kW,20 kW,50 kW,100 kW等6个等级,以开关电路控制通断,如图5所示,以保证跨阻放大器在1-20μA的宽输入范围内皆可获得理想的输出。
1.5 主放大器
主放大器结构如图6所示,由四级差分电路及失调补偿回路构成。在工艺过程中,可能出现CMOS器件之间和电阻元器件间的不匹配等因素,使直流电压产生偏移,经放大单元逐级放大后,足以使其后的放大级和输出缓冲级达到截止或饱和,使整个限幅放大器不能正常工作,因此失调电压补偿十分重要。
图7为设计采用的基本差分单元。
1.6 输出端
输出端由一个滤波电容和一个反相器组成。滤波电容起到隔直通交的作用。反向器如图8所示,只要经前面两级放大器放大后的电压达到MOS管开启电压,即可输出较为理想的1.8 V/0 V方波,为外部电路提供理想的数据流输入,同时也放宽了对前级放大电路的限制。并且由于反相器的带宽远高于放大电路,故不会对电路整体产生影响。
如图9所示为主放大器输出端与跨阻放大器输入端的幅频特性曲线。由图可见电路的3 dB带宽约为500 MHz,低频特性良好,低频截止频率约为100 kHz,正好适应目前可见光传输速率相对还较低的特点。
图10给出了输入2μA/0.15μA方波时的眼图。
电路设计将光接收机整体集成于一片,有效地缩小了体积并减小了各模块级联时带入的误差。仿真结果表明接收机有较宽范围的带宽,并能很好的适应可见光现阶段的低频传输。
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